灰鑄鐵的熱處理

1、灰鑄鐵的熱處理灰鑄鐵的熱處理退火1 .去應(yīng)力退火為了消除鑄件的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定其幾何尺寸，減少或消除切削加工后產(chǎn)生的畸變，需要對鑄件進行去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火溫度的確定，必須考慮鑄鐵的化學(xué)成分。普通灰鑄鐵當溫度起過550c時，即可能發(fā)生部分滲碳體的石墨化和?；?，使強度和硬度降低。當含有合金素時，滲碳體開始分解的溫度可提高到650c左右。通常，普通灰鑄鐵去應(yīng)力退火溫度以550c為宜，低合金灰鑄鐵為600C,高合金灰鑄鐵是可提高到650C,加熱速度一般選用60120C/h.保溫時間決定于加熱溫度、鑄件的大小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及對消除應(yīng)力程度的要求。鑄件去應(yīng)力退火的冷卻速度必須緩慢，以免產(chǎn)生二次殘余內(nèi)應(yīng)

2、力，冷卻速度一般控制在2040C/h,冷卻到200150c以下，可出爐空冷。些灰鑄鐵件的去應(yīng)力退火規(guī)范示于表1.2 .石墨化退火灰鑄鐵件進行石墨化退火是為了降低硬度，改善加工性能，提高鑄鐵的塑性和韌性。若鑄件中不存在共晶滲碳體或其數(shù)量不多時，可進行低溫石墨化退火；當鑄件中共晶滲碳體數(shù)量較多時，須進行高溫石墨化退火。(1)低溫石墨化退火，鑄鐵低溫退火時會出現(xiàn)共析滲碳體石墨化與?；?，從而使鑄件硬度降低，塑性增加?；诣T鐵低溫石墨化退火工藝是將鑄件加熱到稍低于Ac1下限溫度，保溫一段時間使共析滲碳體分解，然后隨爐冷卻。（2）高溫石墨化退火，高溫石墨化退火工藝是將鑄件加熱至高于Ac1上限以上的溫度，使鑄

3、鐵中的自由滲碳體分解為奧氏體和石墨，保溫一段時間后根據(jù)所要求的基體組織按不同的方式進行冷卻正火灰鑄鐵正火的目的是提高鑄件的強度、硬度和耐磨性，或作為表面淬火的預(yù)備熱處理，改善基體組織般的正火是將鑄件加熱到Ac上限+3050C,使原始組織轉(zhuǎn)為奧氏體，保溫一段時間后出爐空冷。形狀復(fù)雜的或較重要的鑄件正火處理后需再行消除內(nèi)應(yīng)力的退火。如鑄鐵原始組織中存在過量的自由滲碳體，則必須先加熱到Ac1上限+50100c的溫度，先進行高溫石墨化以消除自由滲碳體在正火溫度范圍,溫度愈高，硬度也愈高。因此，要求正火后的鑄鐵具有較高硬度和耐磨性時，可選擇加熱溫度的上限正火后冷卻速度影響鐵素體的析出量，從而對硬度產(chǎn)生影

4、響。冷速愈大，析的鐵素體數(shù)量愈少，硬度愈高。因此可采用控制冷卻速度的方法）（空冷、風(fēng)冷、霧冷），達到調(diào)整鑄鐵硬度的目的淬火與回火1.淬火鑄鐵淬火工藝是將鑄件加熱到Ac1上限+3050c的溫度，一般取850900C,使組織轉(zhuǎn)變成奧氏體，并在此溫度下保溫，以增加碳在奧氏體中的溶解,然后進行淬火，通常采用油淬。對于形狀復(fù)雜或大型鑄件應(yīng)緩慢加熱，必要時可在500650c預(yù)熱，以避免不均勻加熱而造成開裂隨奧氏體化溫度升高，淬火后的硬度越高，但過高的奧氏體化溫度，不但增加鑄鐵變形和開裂的危險，并產(chǎn)生較多的殘留奧氏體，使硬度下降?；诣T鐵的淬透性與石墨大小、形狀、分布、化學(xué)成分以及奧氏體晶粒度有關(guān)石墨使鑄鐵的

5、導(dǎo)熱性降低，從而使它的淬透性下降，石墨越粗大，越多，這種影響越大2 .回火為了避免石墨化，回火溫度一般應(yīng)低于550C,回火保溫時間按t=鑄件厚度（mm/25+1（h）計算。3 .等溫淬火為了減小淬火變形，提高鑄件綜合力學(xué)性能，凸輪、齒輪、缸套等零件常采用等溫淬火。等溫淬火的加熱溫度和保溫時間與常規(guī)淬火工藝相同復(fù)習(xí)前課鑄鐵的分類（P8990）§4-6工程鑄鐵一、鑄鐵的石墨化1 .概述鑄鐵是碳的質(zhì)量分數(shù)Wc>2.11%的鐵碳合金。它是以Fe、C、Si為主要組成元,并比鋼含有較高的S和P等雜質(zhì)。碳在鑄鐵中，主要以石墨的形式存在。石墨化：鑄鐵中的碳以石墨的形式析出的過程。石墨化有兩種方

6、式：一種是在冷卻過程中，可以從液體和奧氏體中直接析出石墨；另一種是在一定條件下由亞穩(wěn)定性的Fe3c分解出鐵素體和穩(wěn)定的石雙重相圖：實踐證明，鑄鐵在冷卻,冷速越緩，析出石墨的可能性越大,Fe-G相圖說明；冷速趕快，則析出滲碳體的可能性越大，用Fe-Fe3c相圖6呢眥產(chǎn)700圖4-11FeG與Fe-Fe3c雙重相圖DUt：X100說明。為便于比較和應(yīng)用，習(xí)慣上把這兩個相圖合畫在一起，稱之為鐵-碳合金雙相圖。如圖4-11所示。其中虛線表示穩(wěn)定態(tài)（Fe-G）相圖，實線表示亞穩(wěn)定態(tài)（Fe-FeaC）相圖，虛線與實線重合的線用實線畫出。石墨化以哪一種方式進行，主要取決于鑄鐵的成分與保溫冷卻條件2 .石墨化

7、過程按照Fe-G相圖，鑄鐵的石墨化過程分為三個階段:第一階段石墨化對于過共品成分合金而言，鑄鐵液相冷至C'D'線時，結(jié)晶的一次石墨；各成分鑄鐵，在1154c（E'C'F'線）通過共晶反應(yīng)形成的共晶石墨。Lc1154CAeG共晶第二階段石墨化在1154738c溫度范圍內(nèi)，奧氏體沿E'S'線析出二次石墨。第三階段石墨化在738c（P'S'K'線），通過共析轉(zhuǎn)變析出共析石墨。即As738CFpG共析3 .影響石墨化的主要因素（1）化學(xué)成分按對石墨化的作用，可分為促進石墨化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co、P等）和

8、阻礙石墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）兩大類。 C和Si是強烈促進石墨化的元素；S是強烈阻礙石墨化的元素，而且還降低鐵液的流動性和促進高溫鑄件開裂； 適量的Mn既有利于珠光體基體形成，又能消除S的有害作用； P是一個促進石墨化不太強的元素，能提高鐵液的流動性，但當其質(zhì)量分數(shù)超過奧氏體或鐵素鐵的溶解度時，會形成硬而脆的磷共品，使鑄鐵強度降低，脆性增大?？傊?，生產(chǎn)中，C、Si、Mn為調(diào)節(jié)組織元素，P是控制使用元素，S屬于限制元素。（2）石墨化溫度石墨化過程需要碳、鐵原子的擴散，石墨化溫度越低，原子擴散越困難，因而石墨化進程越慢，或停止。尤其是第三階段石墨化的溫度較低，常常石墨化不充分（

9、3）冷卻速度一定成分的鑄鐵，石墨化程度取決于冷卻速度。冷速越慢，越利于碳原子的擴散，促使石墨化進行。冷速越快，析出滲碳體的可能性就越大。這是由于滲碳體的Wc(6.69%)比石墨(100%)更接近于合金的Wc(2.5%4.0%)影響冷卻的因素主要有澆注溫度、鑄件壁厚、鑄型材料等。當其它條件相同時，提高澆注溫度，可使鑄型溫度升高，冷速減慢；鑄件壁厚越大，冷速越慢；鑄型材料導(dǎo)熱性越差，冷速越慢。二、鑄鐵的組織與性能1.鑄鐵的組織通常鑄鐵的組織可以認為是由鋼的基體與不同形狀、數(shù)量、大小及分布的石墨組成的。石墨化程度不同，所得到的鑄鐵類型和組織也不同。表4-23鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得到的組織名稱石墨

10、化程度顯微組織第一階段第二階段第三階段灰鑄鐵充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行部分進行不進行F+GF+P+GP+G麻口鑄鐵部分進行部分進行不進行Le'+P+G白口鑄鐵不進行不進行不進行Le'+P+Fe3c2.鑄鐵的性能鑄鐵基體組織的類型和石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布狀態(tài)決定了鑄鐵的性能。(1)石墨的影響石墨是碳的一種結(jié)晶形態(tài)，其碳的質(zhì)量分數(shù)Wc=100%,具有簡單六方品格。由于石墨的硬度為35HBS,crb約為20MPa,塑性和韌性極低，伸長率6接近于零，從而導(dǎo)致鑄鐵的力學(xué)性能如抗拉強度、塑性、韌性等均不如鋼。并且石墨數(shù)量越多，尺寸越大，分布越不均勻，對力

11、學(xué)性能的削弱就越嚴重。其中 片狀石墨對基體的削弱作用和引起應(yīng)力集中的程度最大； 球狀石墨對基體的割裂作用最小； 團絮狀石墨的作用居于二者之中。但石墨的存在，使鑄鐵具有優(yōu)異的切削加工性能、良好的鑄造性能和潤滑作用、很好的耐磨性能和抗振性能，大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對缺口不敏感（2）基體組織的影響對同一類鑄鐵來說，在其它條件相同的情況下，鐵素體相的數(shù)量越多，塑性越好；珠光體的數(shù)量越多，則抗拉強度和硬度越高。由于片狀石墨對基體的強烈作用，所以只有當石墨為團絮狀、蠕蟲狀或球狀時，改變鑄鐵基體組織才能顯示出對性能的影響。三、常用鑄鐵材料1 .普通灰鑄鐵普通灰鑄鐵俗稱灰鑄鐵，簡稱灰鐵。其生產(chǎn)工藝簡單，鑄

12、造性能優(yōu)良，在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，約占鑄鐵總量的80%o（1）灰鑄鐵的成分、組織和性能一般鑄鐵含Wc=2.7%3.6%,Wsi=1.02.2%,WMn=0.5%1.3%,Ws<0.15%,Wp<0.3%。其組織有：鐵素體灰鑄鐵（在鐵素體基體上分布著片狀石墨）；珠光體+鐵素體灰鑄鐵（在珠光體+鐵素體基體上分布著片狀的石墨）；珠光體灰鑄鐵（在珠光體基體上分布著片狀的石墨）如圖4-13（a）、（b）、（c）所示。圖4-13三種基體的灰鑄鐵灰鑄鐵組織相當于在鋼的基體上分布著片狀石墨，因此，其基體的強度和硬度不低于相應(yīng)的鋼。石墨的強度、塑性、韌性極低，在鑄鐵中相當于裂縫和孔洞，破壞了基體金屬

13、的連續(xù)性，同時很容易造成應(yīng)力集中。因此，灰鑄鐵的抗拉強度、塑性及韌性都明顯低于碳鋼。石墨片的數(shù)量越多、尺寸越大、分布越不均勻，對基體的割裂作用越嚴重。但是石墨片很細，尤其相互連接時，也會使承載面積顯著下降。因此，石墨片長度應(yīng)以0.030.25mm為宜。石墨的存在，使灰鑄鐵的鑄造性能、減摩性、減振性和切削加工性都高于碳鋼，缺口敏感性也較低。灰鑄鐵的硬度和抗壓強度主要取決于基體組織，而與石墨的存在基本無關(guān)。因此，灰鑄鐵的抗壓強度約為抗拉強度34倍。(2)灰鑄鐵的牌號及用途灰鑄鐵的片?號由“HT+數(shù)字”組成。其中“HT”是“灰鐵”二字漢語拼音字首,數(shù)字表示g0mm試棒的最低抗拉強度值(MPa)。常用

14、灰鑄鐵的牌號、力學(xué)性能及用途見表4-24'0從表中可以看出，灰鑄鐵的強度與鑄件的壁厚有關(guān)，鑄件壁厚增加則強度降低,主要是由于壁厚增加使冷卻速度降低，造成基體組織中鐵素體增多而珠光體減少的緣故(3)灰鑄鐵的孕育處理澆注時向鐵液中加入少量孕育劑(如硅鐵、硅鈣合金等),改變鐵液的結(jié)晶條件,得到細小、均勻分布的片狀石墨和細小的珠光體組織的方法,稱為孕育處理。孕育處理時，孕育劑及它們的氧化物使石墨片均勻細化,并使鑄鐵的結(jié)晶過程幾乎在全部鐵液中同時進行，避免鑄件邊緣及薄壁處出現(xiàn)白口組織，使鑄鐵各個部位截面上的組織與性能均勻一致，提高了鑄鐵的強度、塑性和韌性，同時也降低了灰鑄鐵的斷面敏感性。經(jīng)孕育處

15、理后的鑄鐵稱為孕育鑄鐵，表4-24中，HT250、HT300、HT350即屬于孕育鑄鐵，常用于制造力學(xué)性能要求較高，截面尺寸變化較大的大型件，如汽缸、曲軸、凸輪、機床床身等。(4)灰鑄鐵的熱處理由于熱處理僅能改變灰鑄鐵的基本組織，改變不了石墨形態(tài)，因此，用熱處理來高灰鑄鐵的力學(xué)性能的效果不大。灰鑄鐵的熱處理常用于消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸，消除鑄件的白口組織、改善切削加工性，提高鑄件表面的硬度及耐磨性。時效處理形狀復(fù)雜、厚薄不均的鑄件在冷卻過程中，由于各部位冷卻速度不同，形成內(nèi)應(yīng)力，即削弱了鑄件的強度，又使得在隨后的切削加工中，因應(yīng)力的重新分布而引起變形，甚至開裂。因此，鑄件在成形后都需要進行

16、時效處理，尤其對一些大型、復(fù)雜或加工精度較高的鑄件（如機床床身、柴油機汽缸等），在鑄造后、切削加工前，甚至在粗加工后都要進行一次時效退火傳統(tǒng)的時效處理一般有自然時效和人工時效。自然時效是將鑄件長期放置在室溫以消除其內(nèi)應(yīng)力的方法；人工時效是將鑄件重新加熱到530620C,經(jīng)長時間保90（26h）后在爐內(nèi)緩慢冷卻至200c以下出爐空冷的方法。經(jīng)時效退火后可消除%以上的內(nèi)應(yīng)力。時效退火溫度越高，鑄件殘余應(yīng)力消除越顯著，鑄件尺寸穩(wěn)定性越好，但隨著時效溫度的提高，時效后鑄件力學(xué)性能會有所下降。振動時效是目前生產(chǎn)中用來消除內(nèi)應(yīng)力的一種新方法。它是用振動時效設(shè)備，按照振動時效技術(shù)國家標準，使金屬工件在半小時

17、內(nèi)，進行近十萬次較大振幅的低頻亞共振振動，使之產(chǎn)生微觀塑性變形，從而降低和均化殘余應(yīng)力，防止工件在使用過程的變形。由于振動時效所需時間短（半小時），成本低（一度電和幾元錢），效果,而且能隨時隨地多次進行，既不降低硬度和強度，又無煙塵環(huán)境污染和氧化皮,以廣泛用于鑄件、焊件和機加工件的時效處理，被譽為理想的無成本時效技術(shù)石墨化退火石墨化退火一般是將鑄件以70100C/h的速度加熱至850900C,保溫25h（取決于鑄件壁厚），然后爐冷至400500c后空冷。目的是消除灰鑄鐵件表層和薄壁處在澆注時產(chǎn)生的白口組織。表面熱處理有些鑄件，如機床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等，表面需要高的硬度和耐磨性，可進行表面火處理，

18、如高頻表面淬火，火焰表面淬火和激光加熱表面淬火等。淬火前鑄件需進行正火處理，以保證獲得大于65%以上的珠光體組織，淬火后表面硬度可達5055HRC。2 .球墨鑄鐵球墨鑄鐵是石墨呈球狀的灰鑄鐵。它是在澆注前向砂灰鑄鐵液中加入球化劑和孕育劑，而獲得具有球狀石墨的鑄鐵。球化劑：能使石墨結(jié)晶成球狀的物質(zhì)常用球化劑：鎂、稀土和稀土鎂合金。孕育劑：硅鐵合金。孕育處理的目的：首先是促進石墨化，其次是改善石墨的結(jié)晶條件，使石墨球徑小，數(shù)量增多，形狀圓整、分布均勻，顯著改善了其力學(xué)性能。（1）球墨鑄鐵的成分、組織和性能（自閱回答問題）球墨鑄鐵的成分中，C、Si的質(zhì)量分數(shù)較高，Mn的質(zhì)量分數(shù)較低，S、P質(zhì)量分限制很嚴，同時含有一定量的Mg和稀土元素。球墨鑄鐵常見的基體組織有鐵素體、素體+珠光體和珠光體三種。通過合金化和熱處理后，還可獲得下貝氏體、馬氏體、氏體、索氏體和奧氏體等基體組織的球墨鑄鐵。在石墨球的數(shù)量、形狀、大小及分布一定的條件下，珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度比鐵素體球墨鑄鐵高50%以上，而鐵素體球墨鑄鐵的伸長率是珠光體球墨鑄鐵的35倍。鐵素體+珠光體基體的球墨鑄鐵性能介于二者之間。經(jīng)熱處理后以馬氏體為基的球墨鑄鐵具有高硬度、高強度，但韌性很低；以下貝氏體為基的球墨鑄鐵具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。石墨球越細小，分布越均勻，越能充分發(fā)揮基體組織的作用30